JP4935437B2 - 組立方法及び組立装置 - Google Patents

Description

本発明は、孔が設けられた部材（孔部品）の孔に棒状部材（軸部品）を挿入させる組立方法に関し、また、孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを把持して移動操作し孔が設けられた部材の孔に棒状部材を挿入させる組立装置に関する。

従来、棒状部材（軸部品）を把持して移動操作し、この棒状部材を孔が設けられた部材（孔部品）の孔に挿入させる組立装置が提案されている。

このような組立装置としては、孔が設けられた部材を固定して支持し、この部材の孔の内径と棒状部材の外径との差（孔及び棒状部材間のクリアランス）よりも芯ずれが小さくなるように、棒状部材を高精度に移動操作できるように構成し、この棒状部材を孔に挿入できるようにしたものが提案されている。

また、このような組立装置として、特許文献１には、ロボットアームによって棒状部材を把持し、この棒状部材を孔が設けられた部材の孔に挿入させようとしたときに、棒状部材の先端が当接して挿入方向に力（反力）を受けたならばランダムに横方向に移動操作し、モーメントを受けたならばモーメントが小さくなる方向に棒状部材の傾きを変更して、再度の挿入動作を行うようにしたピン挿入装置が記載されている。

さらに、特許文献２には、棒状部材を把持し、この棒状部材を孔が設けられた部材の孔に挿入させようとしたときに、棒状部材の先端が当接して挿入方向に力（反力）を受けたならば、棒状部材を孔が設けられた部材に押し付けたままで、孔及び棒状部材間のクリアランスを考慮した幅で棒状部材をジグザグに移動操作するようにした組立装置が記載されている。
特開平７−３１４２６４号公報 特開２００４−１６７６５１公報

ところで、前述した従来の組立装置においては、芯ずれが孔及び棒状部材間のクリアランスよりも小さくなるように構成したものにおいては、棒状部材の移動操作を極めて高い精度で行う必要があり、特に、精密部品を扱う場合には、クリアランスが極めて小さいため、装置の構成及び使用が困難となる。すなわち、極めて高い精度で部材の把持及び固定を行うことができる冶具や把持手段を用意しなければならず、また、装置の動作について精密な教示が必要となる。このような教示は部材の種類が変わるたびに実施しなければならず、極めて煩雑である。

また、特許文献１に記載された装置においては、棒状部材が反力を受けたときにランダムに横方向に移動操作するので、この棒状部材の孔への挿入が完了するまでに要する時間を予測することができず、作業時間の短縮による生産性の向上を図ることができない。

そして、特許文献２に記載された装置においては、棒状部材が反力を受けたときに棒状部材を部材に沿ってジグザグに移動操作する。ここで、この移動操作の一方向（幅）については孔及び棒状部材間のクリアランスを考慮して設定されるが、他方向（進行方向）については、より小さな距離とする必要がある。そのため、棒状部材の孔への挿入が完了するまでに長時間を要する場合がある。また、棒状部材を孔が設けられた部材に押し付けたままで移動させることにより、部材同士の摺接による傷や破損などの不都合が生ずる虞がある。

そこで、本発明は、前記の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、部材の移動操作の精度を特段に向上させる必要を生ずることなく、棒状部材の孔への挿入を短時間で完了することができ、さらに、棒状部材を孔が設けられた部材に押し付けたままで移動させることがない組立方法を提供し、また、この組立方法を実施することができる組立装置を提供することにある。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る組立方法は、以下の構成のいずれか一を有するものである。

〔構成１〕
孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを把持して移動操作し、孔に棒状部材を挿入させる組立方法であって、孔に棒状部材を挿入させようとしたときに、棒状部材の先端部と孔の周囲部とが当接した場合に、孔が設けられた部材が受ける挿入方向の並進力及びこれに直交する軸周りのモーメントを検出し、検出された並進力及びモーメントに基づく演算を行い、棒状部材の先端部の当接位置の孔の中心からの方向及び距離を算出し、モーメントに基づいて算出された当接位置の孔の中心からの方向に、孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを、孔及び棒状部材の径と算出された方向に含まれる想定誤差と孔及び棒状部材間のクリアランスとに応じて、下記の関係を満たすように予め定められた一定の距離δ１だけ移動操作し、これらの動作を繰り返すことによって、棒状部材を孔に挿入させることを特徴とするものである。
δ１＜（φＲ−φｒ）×cos（θｅ） （ただし、φＲは、孔の内径、φｒは、棒状部材の外径、θｅは、算出された孔の中心からの方向θ１に含まれる想定誤差である。）

〔構成２〕
孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを把持して移動操作し、孔に棒状部材を挿入させる組立方法であって、孔に棒状部材を挿入させようとしたときに、棒状部材の先端部と孔の周囲部とが当接した場合に、孔が設けられた部材が受ける挿入方向の並進力及びこれに直交する軸周りのモーメントを検出し、検出された並進力及びモーメントに基づく演算を行い、棒状部材の先端部の当接位置の孔の中心からの方向及び距離を算出し、モーメントに基づいて算出された当接位置の孔の中心からの方向が全周方向を８つに等分した４５°ずつの領域のいずれに含まれているかを判別し、方向が含まれていると判別された領域の中心方向に、孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを、孔及び棒状部材の径と孔及び棒状部材間のクリアランスとに応じて、下記の関係を満たすように予め定められた一定の距離δ１だけ移動操作し、これらの動作を繰り返すことによって、棒状部材を孔に挿入させることを特徴とするものである。
δ１＜（φＲ−φｒ）×cos（２２．５°）（ただし、φＲは、孔の内径、φｒは、棒状部材の外径である。）

また、本発明に係る組立装置は、以下の構成のいずれか一を有するものである。

〔構成３〕
孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを把持して移動操作し、孔に棒状部材を挿入させる把持手段と、把持手段が孔に棒状部材を挿入させようとしたときに、棒状部材の先端部と孔の周囲部とが当接した場合に、孔が設けられた部材が受ける挿入方向の並進力及びこれに直交する軸周りのモーメントを検出する検出手段と、検出手段により検出された並進力及びモーメントに基づく演算を行い、この演算結果に応じて把持手段の動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、把持手段の動作の制御において、インピーダンス制御を行うとともに、検出手段により検出された並進力及びモーメントに基づき、棒状部材の先端部の当接位置の孔の中心からの方向及び距離を算出し、モーメントに基づいて算出された方向に、孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを、孔及び棒状部材の径と算出された方向に含まれる想定誤差と孔及び棒状部材間のクリアランスとに応じて、下記の関係を満たすように予め定められた一定の距離δ１だけ移動操作させ、これらの動作を繰り返すことによって、棒状部材を孔に挿入させることを特徴とするものである。
δ１＜（φＲ−φｒ）×cos（θｅ） （ただし、φＲは、孔の内径、φｒは、棒状部材の外径、θｅは、算出された孔の中心からの方向θ１に含まれる想定誤差である。）

〔構成４〕
孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを把持して移動操作し、孔に棒状部材を挿入させる把持手段と、把持手段が孔に棒状部材を挿入させようとしたときに、棒状部材の先端部と孔の周囲部とが当接した場合に、孔が設けられた部材が受ける挿入方向の並進力及びこれに直交する軸周りのモーメントを検出する検出手段と、検出手段により検出された並進力及びモーメントに基づく演算を行い、この演算結果に応じて把持手段の動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、把持手段の動作の制御において、インピーダンス制御を行うとともに、検出手段により検出された並進力及びモーメントに基づき、棒状部材の先端部の当接位置の孔の中心からの方向及び距離を算出し、モーメントに基づいて算出された方向が全周方向を８つに等分した４５°ずつの領域のいずれに含まれているかを判別し、方向が含まれていると判別された領域の中心方向に、孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを、孔及び棒状部材の径と孔及び棒状部材間のクリアランスとに応じて、下記の関係を満たすように予め定められた一定の距離δ１だけ移動操作させ、これらの動作を繰り返すことによって、棒状部材を孔に挿入させることを特徴とするものである。
δ１＜（φＲ−φｒ）×cos（２２．５°）（ただし、φＲは、孔の内径、φｒは、棒状部材の外径である。）

本発明に係る組立方法においては、構成１を有することにより、孔に棒状部材を挿入させようとしたときに、棒状部材の先端部と孔の周囲部とが当接した場合に、孔が設けられた部材が受ける挿入方向の並進力及びこれに直交する軸周りのモーメントを検出し、検出された並進力及びモーメントに基づく演算を行い、棒状部材の先端部の当接位置の孔の中心からの方向及び距離を算出し、モーメントに基づいて算出された当接位置の孔の中心からの方向に、孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを、孔及び棒状部材の径と算出された方向に含まれる想定誤差と孔及び棒状部材間のクリアランスとに応じて、予め定められた一定の距離だけ移動操作し、これらの動作を繰り返すことによって、棒状部材を孔に挿入させるので、棒状部材の当接位置の孔の中心からの方向及び距離が正確に求められない場合においても、棒状部材と孔との相対位置を修正して、棒状部材の孔への挿入を完了することができる。

本発明に係る組立方法においては、構成２を有することにより、孔に棒状部材を挿入させようとしたときに、棒状部材の先端部と孔の周囲部とが当接した場合に、孔が設けられた部材が受ける挿入方向の並進力及びこれに直交する軸周りのモーメントを検出し、検出された並進力及びモーメントに基づく演算を行い、棒状部材の先端部の当接位置の孔の中心からの方向及び距離を算出し、モーメントに基づいて算出された当接位置の孔の中心からの方向が全周方向を８つに等分した４５°ずつの領域のいずれに含まれているかを判別し、方向が含まれていると判別された領域の中心方向に、孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを、孔及び棒状部材の径と孔及び棒状部材間のクリアランスとに応じて、予め定められた一定の距離だけ移動操作し、これらの動作を繰り返すことによって、棒状部材を孔に挿入させるので、棒状部材の当接位置の孔の中心からの方向及び距離の検出精度が低い場合であっても、棒状部材と孔との相対位置を修正して、棒状部材の孔への挿入を完了することができる。

本発明に係る組立装置においては、構成３を有することにより、制御手段は、把持手段の動作の制御において、インピーダンス制御を行うとともに、検出手段により検出された並進力及びモーメントに基づき、棒状部材の先端部の当接位置の孔の中心からの方向及び距離を算出し、モーメントに基づいて算出された方向に、孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを、孔及び棒状部材の径と算出された方向に含まれる想定誤差と孔及び棒状部材間のクリアランスとに応じて、予め定められた一定の距離だけ移動操作させ、これらの動作を繰り返すことによって、棒状部材を孔に挿入させるので、棒状部材の当接位置の孔の中心からの方向及び距離が正確に求められない場合においても、棒状部材と孔との相対位置を修正して、棒状部材の孔への挿入を完了することができる。

本発明に係る組立装置においては、構成４を有することにより、制御手段は、把持手段の動作の制御において、インピーダンス制御を行うとともに、検出手段により検出された並進力及びモーメントに基づき、棒状部材の先端部の当接位置の孔の中心からの方向及び距離を算出し、モーメントに基づいて算出された方向が全周方向を８つに等分した４５°ずつの領域のいずれに含まれているかを判別し、方向が含まれていると判別された領域の中心方向に、孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを、孔及び棒状部材の径と孔及び棒状部材間のクリアランスとに応じて、予め定められた一定の距離だけ移動操作させ、これらの動作を繰り返すことによって、棒状部材を孔に挿入させるので、棒状部材の当接位置の孔の中心からの方向及び距離の検出精度が低い場合であっても、棒状部材と孔との相対位置を修正して、棒状部材の孔への挿入を完了することができる。

すなわち、本発明は、部材の移動操作の精度を特段に向上させる必要を生ずることなく、棒状部材の孔への挿入を短時間で完了することができ、さらに、棒状部材を孔が設けられた部材に押し付けたままで移動させることがない組立方法を提供することができるものである。また、本発明は、本発明に係る組立方法を実施することができる組立装置を提供することができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

〔組立装置の構成〕
図１は、本発明に係る組立装置の構成を示す側面図である。

本発明に係る組立装置は、図１に示すように、把持手段となるロボットアーム１及び制御手段３を有して構成されている。

図２は、本発明に係る組立装置の要部の構成を示す側面図である。

そして、本発明に係る組立装置においては、図２に示すように、ロボットアーム１は、孔が設けられた部材（以下、「孔部品」という。）１０１、または、棒状部材（以下、「軸部品」という。）１０２のいずれかを把持して移動操作する。この実施の形態においては、ロボットアーム１は、孔部品１０１を把持するようになっている。また、この組立装置においては、軸部品１０２は、固定されて支持される。

この組立装置においては、ロボットアーム１は、把持した孔部品１０１を移動操作し、この孔部品１０１の孔１０３に、軸部品１０２を挿入させる。

ロボットアーム１には、孔部品１０１を把持した状態で、この孔部品１０１が受ける並進方向（孔の軸方向）の力及びこの並進方向に直交する軸回りのモーメントを計測する検出手段として、力センサ２を設けることができる。この力センサ２は、ロボットアーム１が軸部品１０２を孔１０３に挿入させようとしたときに、軸部品１０２の先端部と孔１０３の周囲部とが当接した場合に、孔部品１０１が受ける挿入方向の並進力及びこれに直交する軸周りのモーメントを検出する。なお、ロボットアーム１における力センサ２は、以下に述べるインピーダンス制御を行うためのセンサを兼ねている。

図３は、本発明に係る組立装置の構成を示すブロック図である。

この組立装置においては、力センサ２からの検出出力は、図３に示すように、制御手段３に送られる。この制御手段３は、力制御器３ａと、当接位置算出部３ｂとから構成されている。力センサ２からの検出出力は、力制御器３ａの倣い動作生成部４及び当接位置算出部３ｂの算出部５に送られる。

倣い動作生成部４は、力センサ２により検出された並進力及びモーメントに基づき、ロボットアーム１が受けた力に倣って動作するための倣い動作信号を生成し、加算器７に送る。この加算器７においては、倣い動作信号と、力制御器３ａの目標動作指示部６から出力された制御信号とが加算される。加算器７において加算された信号は、ロボットアーム１が目標として設定された動作を行いつつ、外力を受けた場合には、この力に倣って動作するインピーダンス制御等がなされるための動作制御信号となっている。この動作制御信号は、偏差補償器８を経て、ロボットアーム１の駆動装置９に送られる。

また、ロボットアーム１には、このロボットアーム１の位置、姿勢及び動作速度を検出するための位置センサ１０が設けられている。この位置センサ１０からの位置検出出力は、偏差補償器８に送られる。偏差補償器８は、位置センサ１０からの位置検出出力に基づいて、ロボットアーム１が動作制御信号に応じた動作を行うように制御する。

一方、当接位置算出部３ｂの算出部５は、力センサ２により検出された並進力及びモーメントに基づく演算を行い、この演算結果を力制御器３ａの目標動作指示部６に送る。すなわち、この組立装置においては、ロボットアーム１は、予め設定された目標動作に加えて、当接位置算出部３ｂの算出部５における演算結果である補正情報に応じて、動作が制御される。

図４は、倣い動作生成部４の構成を示すブロック図である。

力制御器３ａは、例えば、インピーダンス制御を行う場合には、図４に示すように、倣い動作生成部４としてインピーダンス偏差計算部４を有するものとして構成することができる。この力制御器３ａにおいては、ロボットアーム１からの位置検出出力である実関節速度θが順運動学計算部１１に送られ、力センサ２からの検出出力である手先力及びモーメントＦがインピーダンス偏差計算部４に送られる。

インピーダンス偏差計算部４は、〔Ｍｘ′′_ｉ＋Ｄｘ′_ｉ＋Ｋｘ_ｉ＝Ｆ〕より、インピーダンス偏差量ｘ_ｉ及びインピーダンス偏差速度ｘ′_ｉを算出し、軌道生成部６からの出力信号に加算する。Ｍ，Ｄ，Ｋは、それぞれ、仮想マス、ダンパ、バネに対応する定数である。なお、ダンピング制御の場合には、Ｍ，Ｋは、０となる。

インピーダンス偏差量ｘ_ｉを加算された目標手先位置・姿勢を示す信号Ｘrefは、順運動学計算部１１から出力された実手先位置・姿勢を示す信号Ｘを加算されて、Ｐゲイン（比例ゲイン）回路１２を経て、現在の偏差に比例した制御出力となされて、加算器に送られる。インピーダンス偏差速度ｘ′_ｉを加算された目標手先速度を示す信号Ｖrefは、加算器に送られ、Ｐゲイン回路１２を経た信号と加算されて、逆ヤコビ行列回路１３に送られる。逆ヤコビ行列回路１３は、手先位置・姿勢の微分値（速度）から、目標関節速度ωrefを導いて、ロボットアーム１に供給する。

図５は、本発明に係る組立装置の構成の他の例を示すブロック図である。

本発明に係る組立装置は、ロボットアーム１が孔部品１０１を把持した状態において、この孔部品１０１が受ける並進方向の力及びこの並進方向に直交する軸回りのモーメントを計測する検出手段として、力センサ２を設けなくとも構成することができる。

すなわち、この組立装置においては、位置センサ１０からの検出出力は、図６に示すように、力制御器３ａの力・モーメント推定器１４に送られる。この力・モーメント推定器１４は、ロボットアーム１が受ける並進方向の力及びこの並進方向に直交する軸回りのモーメントを計測する検出手段となる。すなわち、力・モーメント推定器１４は、位置センサ１０からの検出出力及び偏差補償器８から出力される制御信号を比較して、ロボットアーム１が受ける並進方向の力及びこの並進方向に直交する軸回りのモーメントを推定する。

力・モーメント推定器１４による推定結果を示す出力は、力制御器３ａの倣い動作生成部４及び当接位置算出部３ｂの算出部５に送られる。倣い動作生成部４は、力・モーメント推定器１４により推定された並進力及びモーメントに基づき、ロボットアーム１が受けた力に倣って動作するための倣い動作信号を生成し、加算器７に送る。この加算器７においては、倣い動作信号と、力制御器３ａの目標動作指示部６から出力された制御信号とが加算される。加算器７において加算された信号は、ロボットアーム１が目標として設定された動作を行いつつ、外力を受けた場合には、この力に倣って動作するインピーダンス制御等がなされるための動作制御信号となっている。この動作制御信号は、偏差補償器８を経て、ロボットアーム１の駆動装置９に送られる。

また、位置センサ１０からの位置検出出力は、偏差補償器８にも送られる。偏差補償器８は、位置センサ１０からの位置検出出力に基づいて、ロボットアーム１が動作制御信号に応じた動作を行うように制御する。

一方、当接位置算出部３ｂの算出部５は、力・モーメント推定器１４により推定された並進力及びモーメントに基づく演算を行い、この演算結果を力制御器３ａの目標動作指示部６に送る。すなわち、この組立装置においては、ロボットアーム１は、予め設定された目標動作に加えて、当接位置算出部３ｂの算出部５における演算結果である補正情報に応じて、動作が制御される。

〔軸部品の当接位置が正確に求められる場合〕
この組立装置においは、把持した孔部品１０１を移動操作しこの孔部品１０１の孔１０３に軸部品１０２を挿入させようとしたときに、制御手段３は、力センサ２により検出され、または、力・モーメント推定器１４により推定された並進力及びモーメントに基づき、軸部品１０２の先端部の当接位置の孔の中心からの方向及び距離を算出し、これら方向及び距離に応じて、孔部品１０１、または、軸部品１０２のいずれかを移動操作させ、軸部品１０２を孔１０３に挿入させる
図６は、孔部品１０１と軸部品１０２との位置関係を示す平面図である。

ここで、図６に示すように、孔部品１０１の孔１０３に軸部品１０２を挿入させるときに、芯ずれのため、軸部品１０２の先端部が孔１０３の周囲部分に当接した状況を考える。図６は、挿入方向から見たときの様子を示す。ここでは、孔１０３が孔部品１０１の中心にあり、軸部品１０２の先端部が、孔部品１０１の中心を原点とする座標で（ｘ１，ｙ１）の位置に当接した場合を考える。

組立装置の力センサ２は、ｘ軸及びｙ軸回りのモーメントＮｘ１，Ｎｙ１と、当接時の押付力（並進力）Ｆｚ１を計測する。なお、これらモーメント及び押付力（並進力）は瞬間的に生ずるものなので、積分値として求めることが望ましい。制御手段３は、力センサ２により計測されたこれら計測値に基づいて、当接位置の座標（ｘ１，ｙ１）を求める。この座標（ｘ１，ｙ１）に基づいて、再度挿入動作を行えば、挿入が完了するはずである。

例えば、この組立装置において、座標（ｘ０，ｙ０）において組立てに失敗した場合、つまり、軸部品１０２が孔１０３に挿入されなかった場合には、当接位置（ｘ１，ｙ１）を求め、次に、座標（ｘ０−ｘ１，ｙ０−ｙ１）に移動操作し、再度挿入動作を行えば、挿入が完了する。

モーメントは、力と回転軸及び作用点間の距離との積であるので、Ｆｚ１，Ｎｘ１，Ｎｙ１の関係は、以下のように示すことができる。

Ｎｘ１＝ｙ１×Ｆｚ１ ・・・（式１）
Ｎｙ１＝ｘ１×Ｆｚ１ ・・・（式２）
この関係より、以下の関係が求められる。

ｙ１＝Ｎｘ１／Ｆｚ１ ・・・（式３）
ｘ１＝Ｎｙ１／Ｆｚ１ ・・・（式４）
このようにして、軸部品１０２の当接点の位置がわかる。この場合には、１回めの挿入動作により、孔部品１０１と軸部品１０２とが当接して芯ずれ量がわかり、２回めの挿入動作により挿入が完了するので、短時間にて挿入操作を完了することができる。

図８は、本発明に係る組立方法の手順を示すフローチャートである。

このような組立装置の動作をフローチャートより示すと、図８に示すように、本発明に係る組立方法の手順を示すものとなり、すなわち、ステップｓｔ１において動作を開始すると、ステップｓｔ２に進み、挿入動作を開始する。次に、ステップｓｔ３に進み、軸部品１０２の先端部と孔部品１０１とが当接したか否かを判断する。軸部品１０２の先端部と孔部品１０１とが当接したならばステップｓｔ４に進み、軸部品１０２の先端部と孔部品１０１とが当接せず挿入操作が完了したならば、ステップｓｔ７に進んで動作を終了する。

ステップｓｔ４では、軸部品１０２の先端部と孔部品１０１との当接の瞬間のｘ軸及びｙ軸回りのモーメントＮｘ１，Ｎｙ１と押付力（並進力）Ｆｚ１とを計測し、ステップｓｔ５に進む。ステップｓｔ５では、前述の（式３），（式４）により、軸部品１０２と孔部品１０１との当接点の位置の座標（ｘ１，ｙ１）を算出し、ステップｓｔ６に進む。ステップｓｔ６では、ステップｓｔ５で算出された当接位置の座標（ｘ１，ｙ１）に基づいて、孔部品１０１を座標（ｘ０−ｘ１，ｙ０−ｙ１）に移動操作し、ステップｓｔ２に戻り、再度挿入動作を行う。

なお、孔１０３の内縁部及び軸部品１０２の先端部の周縁部に面取りがなされており、かつ、ロボットアーム１がインピーダンス制御等をなされている場合には、面取面同士が当接すれば、挿入が可能である。この場合には、孔１０３は、面取り量だけ大きい内径とみなすことができ、また、軸部品１０２は、面取り量だけ細い外径とみなすことができる。

〔軸部品の当接位置までの距離が正確に求められない場合〕
一方、孔部品１０１と軸部品１０２との芯ずれ量が微小である場合や、孔部品１０１と軸部品１０２との間の押付力が小さい場合には、力センサ２によって計測されるモーメントＮｘ１，Ｎｙ１及び押付力Ｆｚ１が小さくなり、ノイズの影響が大きくなる。そのため、これらモーメントＮｘ１，Ｎｙ１及び押付力Ｆｚ１の値に対して所定のフィルタ処理を施す必要がある。この場合には、孔部品１０１と軸部品１０２とが当接したときの瞬間的な力の関係をうまく再現できない虞がある。すなわち、各モーメントＮｘ１，Ｎｙ１は、同じ比率でフィルタ処理をなされるが、押付力Ｆｚ１は、モーメントＮｘ１，Ｎｙ１とは異なる比率でフィルタ処理される可能性がある。この場合には、前述の（式１），（式２）の関係は成立しない。この場合には、前述の（式３），（式４）で得られる芯ずれ量（ｘ１，ｙ１）も正確なものでない。

しかしながら、この場合においても、各モーメントＮｘ１，Ｎｙ１の比は正確に保存されていると考えられる。各モーメントＮｘ１，Ｎｙ１の比が保存されていれば、孔部品１０１の中央から軸部品１０２の当接点に向けての方向θ１を、以下のように求めることができる。

θ１＝tan^−１（ｙ１／ｘ１）＝tan^−１（Ｎｘ１／Ｎｙ１） ・・・（式５）
ここで、tan^−１の定義は、以下の通りである。

θ＝tan^−１（ｙ／ｘ）のとき、ｘ＝cos（θ），ｙ＝sin（θ）
すなわち、tan（θ）＝｛sin（θ）／cos（θ）｝＝ｙ／ｘ
この（式５）によって、孔部品１０１中央から軸部品１０２の当接点へ向かう方向θ１を求めることができる。そして、孔部品１０１中央から軸部品１０２の当接点までの距離δ１を決定すれば、当接位置の座標（ｘ１，ｙ１）の推定値を得ることができる。

距離δ１を決定する手法としては、以下の２つが考えられる。

（１）軸部品１０２と孔部品１０１とを押接させたままで、当接位置をθ１方向に移動させる手法
この手法は、前述の特許文献２に記載された技術と同様に、距離δ１を決定することなく、軸部品１０２と孔部品１０１とを押接させたままで、これらを摺動させ、当接位置をθ１方向に移動させて、孔１０３と軸部品１０２との芯が合致する位置を探し、軸部品１０２を孔１０３に挿入させるものである。

軸部品１０２と孔部品１０１とを押接させたままで移動させることが可能な場合には、この手法を採用することができる。なお、この手法においては、特許文献２に記載された技術に比較して、軸部品１０２と孔部品１０１との相対移動方向は１軸方向で済むので、組立に要する時間を短くすることができる。

（２）予め、適切な移動量を定めておく手法
この手法は、距離δ１を予め決定しておく手法である。

図７は、計測された方向が正確である場合に、軸部品及び孔の径の関係を示す平面図である。

距離δ１の決定の仕方としては、例えば、以下の手法がある。すなわち、図７に示すように、孔１０３の内径をφＲ，軸部品１０２の外径をφｒとする。そして、１回めの挿入動作において、軸部品１０２が孔１０３の縁に引っかかり、当接状態になっているとする。

２回めの挿入動作に先だって、軸部品１０２と孔１０３とを相対移動させる場合、この移動量が大きすぎると、軸部品１０２が孔１０３の反対側にまで行き過ぎてしまい、挿入が行えない。軸部品１０２と孔１０３との相対移動量が、孔１０３の内径から軸部品１０２の外径を引いた値未満であれば、軸部品１０２が孔１０３を通り過ぎてしまうことはない。したがって、距離δ１は、以下のように定めることが望ましい。

δ１＜φＲ−φｒ ・・・（式６）
距離δ１について、この（式６）を満足しつつ、できるだけ大きな値に決定しておけば、最短時間で挿入操作を完了することができる。実際の芯ずれ量が決定した距離δ１よりも大きい場合には、軸部品１０２が孔１０３に距離δ１だけ近づいても挿入は完了しないが、このとき、再度、力センサ２による計測により方向θ１を計算し、移動操作を繰り返すことにより、挿入操作を完了することができる。

この場合にも、孔１０３の内縁部及び軸部品１０２の先端部の周縁部に面取りがなされており、かつ、ロボットアーム１がインピーダンス制御等をなされている場合には、面取面同士が当接すれば、挿入が可能である。この場合には、孔１０３は、面取り量だけ大きい内径とみなすことができ、また、軸部品１０２は、面取り量だけ細い外径とみなすことができる。

〔軸部品の当接位置の方向にも誤差が含まれることが想定される場合〕
さらに、力センサ２により計測される値が極めて小さな値である場合等には、モーメントＮｘ１，Ｎｙ１も正確に求められないことが想定される。この場合には、前述の（式５）で得られる方向θ１にも、誤差が含まれることが想定される。

図９は、求められた方向θ１に誤差が含まれる場合に、軸部品１０２の当接位置が存在すると想定される領域を示す平面図である。

演算によって得られた方向θ１に含まれると想定される想定誤差をθｅとすると、軸部品１０２の当接位置は、図９に示すように、領域Θ、すなわち、方向（θ１−θｅ）乃至方向（θ１＋θｅ）の範囲内に存在する。

この場合にも、方向θ１に、予め決定した距離δ１だけ、孔部品１０１及び軸部品１０２を相対移動させることを繰り返せば、軸部品１０２の孔１０３への挿入操作を完了することができる。すなわち、方向θ１に距離δ１だけ移動した位置で挿入が完了しない場合には、再度、力センサ２による計測により方向θ１を計算し、移動操作を繰り返すことにより、挿入操作を完了することができる。この場合にも、ランダムな方向に移動操作をして再挿入を試みる従来の組立装置に比較して、短い時間で挿入動作を完了することができる。

距離δ１を決定する手法としては、以下の２つが考えられる。

（１）軸部品１０２と孔部品１０１とを押接させたままで、当接位置をθ１方向に移動させる手法
この手法は、前述の特許文献２に記載された技術と同様に、距離δ１を決定することなく、軸部品１０２と孔部品１０１とを押接させたままで、これらを摺動させ、当接位置を領域Θ内で移動させて、孔１０３と軸部品１０２との芯が合致する位置を探し、軸部品１０２を孔１０３に挿入させるものである。

軸部品１０２と孔部品１０１とを押接させたままで移動させることが可能な場合には、この手法を採用することができる。なお、この手法においては、力センサ２の計測結果に誤差が含まれる場合の動作を想定しており、特許文献２に記載された技術と同程度の所要時間でロバスト(robust)な位置探索を行うことができる。

（２）予め、適切な移動量を定めておく手法
この手法は、距離δ１を予め決定しておく手法である。

図１０は、計測された方向が正確ではない場合に、軸部品及び孔の径の関係を示す平面図である。

距離δ１の決定の仕方としては、例えば、以下の手法がある。すなわち、図１０に示すように、孔１０３の内径をφＲ，軸部品１０２の外径をφｒとする。そして、１回めの挿入動作において、軸部品１０２が孔１０３の縁に引っかかり、当接状態になっているとする。そして、計測された方向θ１には、想定誤差θｅが含まれているものとする。

２回めの挿入動作に先だって、軸部品１０２と孔１０３とを相対移動させる場合、この移動量が大きすぎると、軸部品１０２が孔１０３の反対側にまで行き過ぎてしまい、挿入が行えない。軸部品１０２と孔１０３との相対移動量が、孔１０３の内径から軸部品１０２の外径を引いた値未満であり、さらに、想定誤差θｅを考慮すれば、軸部品１０２が孔１０３を通り過ぎてしまうことはない。このとき、軸部品１０２と孔１０３との芯ずれδｒの値は、（φＲ−φｒ）／２である。したがって、距離δ１は、以下のように定めることが望ましい。

δ１＜（φＲ−φｒ）×cos（θｅ） ・・・（式７）
距離δ１について、この（式７）を満足していれば、方向θ１に想定誤差θｅが含まれていても軸部品１０２が孔１０３を通り過ぎることがなく、この範囲で距離δ１をできるだけ大きな値に決定しておけば、最短時間で挿入操作を完了することができる。なお、想定誤差θｅは、試験等により、予め想定しておく。

実際の芯ずれ量が決定した距離δ１よりも大きい場合には、軸部品１０２が孔１０３に距離δ１だけ近づいても挿入は完了しないが、このとき、再度、力センサ２による計測により方向θ１を計算し、移動操作を繰り返すことにより、挿入操作を完了することができる。

この場合にも、孔１０３の内縁部及び軸部品１０２の先端部の周縁部に面取りがなされており、かつ、ロボットアーム１がインピーダンス制御等をなされている場合には、面取面同士が当接すれば、挿入が可能である。この場合には、孔１０３は、面取り量だけ大きい内径とみなすことができ、また、軸部品１０２は、面取り量だけ細い外径とみなすことができる。

図１１は、本発明に係る組立方法の手順の他の例を示すフローチャートである。

このような組立装置の動作をフローチャートより示すと、図１１に示すように、本発明に係る組立方法の手順を示すものとなり、すなわち、ステップｓｔ１０において、事前設定として、以下の計算をしておく。これにより、前述の（式７）による距離δ１の算出が可能となる。

δ１＝（φＲ−φｒ）×cos（θｅ） ・・・（式８）
そして、ステップｓｔ１１において動作を開始すると、ステップｓｔ１２に進み、挿入動作を開始する。次に、ステップｓｔ１３に進み、軸部品１０２の先端部と孔部品１０１とが当接したか否かを判断する。軸部品１０２の先端部と孔部品１０１とが当接したならばステップｓｔ１４に進み、軸部品１０２の先端部と孔部品１０１とが当接せず挿入操作が完了したならば、ステップｓｔ１７に進んで動作を終了する。

ステップｓｔ１４では、軸部品１０２の先端部と孔部品１０１との当接の瞬間のｘ軸及びｙ軸回りのモーメントＮｘ１，Ｎｙ１を計測し、ステップｓｔ１５に進む。ステップｓｔ１５では、前述の（式５）により、軸部品１０２と孔部品１０１との当接点の方向を算出し、ステップｓｔ１６に進む。ステップｓｔ１６では、ステップｓｔ５で算出された当接位置の方向及び（式７）に基づいて、孔部品１０１を座標（ｘ０−δ１×cos（θｅ），ｙ０−δ１×sin（θｅ））に移動操作し、ステップｓｔ１２に戻り、再度挿入動作を行う。

〔軸部品の当接位置の方向を４５°ずつの領域のいずれかとする方法〕
また、本発明においては、前述のようにして検出された各モーメントＮｘ１，Ｎｙ１に基づき、軸部品１０２の孔部品１０１への当接位置を、孔１０３の中心から全周を８つに等分した４５°ずつの領域のいずれに含まれているものとみなすようにしてもよい。

この方法は、Ｎｘ１、Ｎｙ１に閾値Ｎｅ（正の値）を設けて、簡易的に領域を判定するものである。

(1) Ｎｘ１ ＞ Ｎｅ、かつ、｜Ｎｙ１｜＜ Ｎｅ
(2) Ｎｘ１ ＞ Ｎｅ、かつ、 Ｎｙ１ ＞ Ｎｅ
(3)｜Ｎｘ１｜＜ Ｎｅ、かつ、 Ｎｙ１ ＞ Ｎｅ
(4) Ｎｘ１ ＞−Ｎｅ、かつ、 Ｎｙ１ ＞ Ｎｅ
(5) Ｎｘ１ ＞−Ｎｅ、かつ、｜Ｎｙ１｜＜ Ｎｅ
(6) Ｎｘ１ ＞−Ｎｅ、かつ、 Ｎｙ１ ＞−Ｎｅ
(7)｜Ｎｘ１｜＜ Ｎｅ、かつ、 Ｎｙ１ ＞−Ｎｅ
(8) Ｎｘ１ ＞ Ｎｅ、かつ、 Ｎｙ１ ＞−Ｎｅ
孔１０３の中心からみた軸部品１０２の当接位置の方向を、(1)の場合には０°、(2)の場合には４５°、(3)の場合には９０°、(4)の場合には１３５°(5)の場合には１８０°、(6)の場合には２２５°、(7)の場合には２７０°、(8)の場合には３１５°とみなす。

そして、これらの方向に、予め決定した距離δ１だけ、孔部品１０１及び軸部品１０２を相対移動させることを繰り返せば、軸部品１０２の孔１０３への挿入操作を完了することができる。このとき、距離δ１だけ移動した位置で挿入が完了しない場合には、再度、力センサ２による計測により各モーメントＮｘ１，Ｎｙ１から上記に従って方向を判定し、移動操作を繰り返すことにより、挿入操作を完了することができる。この場合にも、ランダムな方向に移動操作をして再挿入を試みる従来の組立装置に比較して、短い時間で挿入動作を完了することができる。

また、この方法では、複雑な逆三角関数を用いず、単なる比較演算のみで方向を決定することができる。

距離δ１は、以下のように定めることが望ましい。

δ１＜（φＲ−φｒ）×cos（２２．５°） ・・・（式９）
距離δ１について、この（式９）を満足していれば、軸部品１０２が孔１０３を通り過ぎることがなく、この範囲で距離δ１をできるだけ大きな値に決定しておけば、最短時間で挿入操作を完了することができる。

この場合にも、孔１０３の内縁部及び軸部品１０２の先端部の周縁部に面取りがなされており、かつ、ロボットアーム１がインピーダンス制御等をなされている場合には、面取面同士が当接すれば、挿入が可能である。この場合には、孔１０３は、面取り量だけ大きい内径とみなすことができ、また、軸部品１０２は、面取り量だけ細い外径とみなすことができる。

本発明に係る組立装置の構成を示す側面図である。 本発明に係る組立装置の要部の構成を示す側面図である。 本発明に係る組立装置の構成を示すブロック図である。 前記組立装置の倣い動作生成部の構成を示すブロック図である。 本発明に係る組立装置の構成の他の例を示すブロック図である。 前記組立装置において、孔部品と軸部品との位置関係を示す平面図である。 前記組立装置において、計測された方向が正確である場合に、軸部品及び孔の径の関係を示す平面図である。 本発明に係る組立方法の手順を示すフローチャートである。 前記組立装置において、求められた方向に誤差が含まれる場合に、軸部品の当接位置が存在すると想定される領域を示す平面図である。 前記組立装置において、計測された方向が正確ではない場合に、軸部品及び孔の径の関係を示す平面図である。 本発明に係る組立方法の手順の他の例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ロボットアーム
２ 力センサ
３ 制御手段
１０１ 孔部品
１０２ 軸部品
１０３ 孔

Claims (4)

1. 孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを把持して移動操作し、前記孔に前記棒状部材を挿入させる組立方法であって、
   前記孔に前記棒状部材を挿入させようとしたときに、前記棒状部材の先端部と前記孔の周囲部とが当接した場合に、前記孔が設けられた部材が受ける挿入方向の並進力及びこれに直交する軸周りのモーメントを検出し、
   検出された前記並進力及びモーメントに基づく演算を行い、前記棒状部材の先端部の当接位置の前記孔の中心からの方向及び距離を算出し、
   前記モーメントに基づいて算出された前記当接位置の前記孔の中心からの方向に、前記孔が設けられた部材、または、前記棒状部材のいずれかを、前記孔及び前記棒状部材の径と前記算出された方向に含まれる想定誤差と前記孔及び前記棒状部材間のクリアランスとに応じて、下記の関係を満たすように予め定められた一定の距離δ１だけ移動操作し、これらの動作を繰り返すことによって、前記棒状部材を前記孔に挿入させる
   ことを特徴とする組立方法。
   δ１＜（φＲ−φｒ）×cos（θｅ） （ただし、φＲは、前記孔の内径、φｒは、前記棒状部材の外径、θｅは、算出された前記孔の中心からの方向θ１に含まれる想定誤差である。）
2. 孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを把持して移動操作し、前記孔に前記棒状部材を挿入させる組立方法であって、
   前記孔に前記棒状部材を挿入させようとしたときに、前記棒状部材の先端部と前記孔の周囲部とが当接した場合に、前記孔が設けられた部材が受ける挿入方向の並進力及びこれに直交する軸周りのモーメントを検出し、
   検出された前記並進力及びモーメントに基づく演算を行い、前記棒状部材の先端部の当接位置の前記孔の中心からの方向及び距離を算出し、
   前記モーメントに基づいて算出された前記当接位置の前記孔の中心からの方向が全周方向を８つに等分した４５°ずつの領域のいずれに含まれているかを判別し、前記方向が含まれていると判別された領域の中心方向に、前記孔が設けられた部材、または、前記棒状部材のいずれかを、前記孔及び前記棒状部材の径と前記孔及び前記棒状部材間のクリアランスとに応じて、下記の関係を満たすように予め定められた一定の距離δ１だけ移動操作し、これらの動作を繰り返すことによって、前記棒状部材を前記孔に挿入させる
   ことを特徴とする組立方法。
   δ１＜（φＲ−φｒ）×cos（２２．５°）（ただし、φＲは、孔の内径、φｒは、棒状部材の外径である。）
3. 孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを把持して移動操作し、前記孔に前記棒状部材を挿入させる把持手段と、
   前記把持手段が前記孔に前記棒状部材を挿入させようとしたときに、前記棒状部材の先端部と前記孔の周囲部とが当接した場合に、前記孔が設けられた部材が受ける挿入方向の並進力及びこれに直交する軸周りのモーメントを検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された並進力及びモーメントに基づく演算を行い、この演算結果に応じて前記把持手段の動作を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記把持手段の動作の制御において、インピーダンス制御を行うとともに、前記検出手段により検出された並進力及びモーメントに基づき、前記棒状部材の先端部の当接位置の前記孔の中心からの方向及び距離を算出し、前記モーメントに基づいて算出された方向に、前記孔が設けられた部材、または、前記棒状部材のいずれかを、前記孔及び前記棒状部材の径と前記算出された方向に含まれる想定誤差と前記孔及び前記棒状部材間のクリアランスとに応じて、下記の関係を満たすように予め定められた一定の距離δ１だけ移動操作させ、これらの動作を繰り返すことによって、前記棒状部材を前記孔に挿入させる
   ことを特徴とする組立装置。
   δ１＜（φＲ−φｒ）×cos（θｅ） （ただし、φＲは、前記孔の内径、φｒは、前記棒状部材の外径、θｅは、算出された前記孔の中心からの方向θ１に含まれる想定誤差である。）
4. 孔が設けられた部材、または、棒状部材のいずれかを把持して移動操作し、前記孔に前記棒状部材を挿入させる把持手段と、
   前記把持手段が前記孔に前記棒状部材を挿入させようとしたときに、前記棒状部材の先端部と前記孔の周囲部とが当接した場合に、前記孔が設けられた部材が受ける挿入方向の並進力及びこれに直交する軸周りのモーメントを検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された並進力及びモーメントに基づく演算を行い、この演算結果に応じて前記把持手段の動作を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記把持手段の動作の制御において、インピーダンス制御を行うとともに、前記検出手段により検出された並進力及びモーメントに基づき、前記棒状部材の先端部の当接位置の前記孔の中心からの方向及び距離を算出し、前記モーメントに基づいて算出された方向が全周方向を８つに等分した４５°ずつの領域のいずれに含まれているかを判別し、前記方向が含まれていると判別された領域の中心方向に、前記孔が設けられた部材、または、前記棒状部材のいずれかを、前記孔及び前記棒状部材の径と前記孔及び前記棒状部材間のクリアランスとに応じて、下記の関係を満たすように予め定められた一定の距離δ１だけ移動操作させ、これらの動作を繰り返すことによって、前記棒状部材を前記孔に挿入させる
   ことを特徴とする組立装置。
   δ１＜（φＲ−φｒ）×cos（２２．５°）（ただし、φＲは、孔の内径、φｒは、棒状部材の外径である。）

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